Андрей Робачевский - Операционная система UNIX

• Название: Операционная система UNIX
• Автор: Андрей Робачевский
• Издательство: BHV - Санкт-Петербург
• Жанр: Программное обеспечение
• Год: 1997
• ISBN: 5-7791-0057-8

Книга посвящена семейству операционных систем UNIX и содержит информацию о принципах организации, идеологии и архитектуре, объединяющих различные версии этой операционной системы.

В книге рассматриваются: архитектура ядра UNIX (подсистемы ввода/вывода, управления памятью и процессами, а также файловая подсистема), программный интерфейс UNIX (системные вызовы и основные библиотечные функции), пользовательская среда (командный интерпретатор shell, основные команды и утилиты) и сетевая поддержка в UNIX (протоколов семейства TCP/IP, архитектура сетевой подсистемы, программные интерфейсы сокетов и TLI).

Для широкого круга пользователей

---

Существует несколько способов преодолеть данную ситуацию, но все они предполагают обеспечение некоторой буферизации данных драйвером устройства. Первый способ заключается в использовании прерываний, когда при поступлении на устройство следующего символа, генерируется аппаратное прерывание, которое обрабатывается функцией xxintr() драйвера независимо от функции xxwrite(). Функция обработки прерывания записывает данные в буфер, которые затем считываются функцией xxwrite().

Если устройство не поддерживает прерываний, их поступление можно сэмулировать с помощью функции xxpoll() драйвера устройства, которая вызывается ядром через определенные промежутки времени (обычно каждый сигнал таймера). Обычно функция xxpoll(), в свою очередь, вызывает функцию xxintr(), скажем, на каждый десятый сигнал таймера, обеспечивая тем самым независимое считывание и буферизацию данных.

Буферизация данных для символьных устройств осуществляется с помощью специальных структур данных, называемых clist. Каждая структура clist имеет следующие поля:

int           c_cc;

struct cblock *с_cf;

struct cblock *c_cl;

Поле с_cc содержит число символов в буфере cblock. Поля c_cf и c_cl указывают, соответственно, на первый и последний элементы cblock, организованные в виде связанного списка и фактически обеспечивающие буферы хранения данных. Каждая структура cblock может хранить несколько символов. Когда буфер хранения заполняется, ядро автоматически выделяет новую структуру cblock и помещает ее в связанный список. Поля структуры cblock и их использование приведены на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Буферизация данных с помощью clist

Пример буферизации с использованием структуры clist в драйвере терминала показан на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Пример использования буферов clist в драйвере терминала

Архитектура терминального доступа

Алфавитно-цифровой терминал — последовательное устройство, и операционная система производит обмен данными с терминалом через последовательный интерфейс, называемый терминальной линией. С каждой терминальной линией в UNIX ассоциирован специальный файл символьного устройства /dev/ttyxx.[55]

Терминальные драйверы выполняют ту же функцию, что и остальные драйверы: управление передачей данных от/на терминалы. Однако терминалы имеют одну особенность, связанную с тем, что они обеспечивают интерфейс пользователя с системой. Обеспечивая интерактивное использование системы UNIX, терминальные драйверы имеют свой внутренний интерфейс с модулями, интерпретирующими ввод и вывод строк. Модуль, отвечающий за такую обработку, называется дисциплиной линии (line discipline).

Существует два режима терминального ввода/вывода:

1. Канонический режим. В этом режиме ввод с терминала обрабатывается в виде законченных строк.

2. Неканонический режим, при котором ввод не интерпретируется.

В каноническом режиме интерпретаторы строк преобразуют неструктурированные последовательности данных, введенные с клавиатуры, в каноническую форму (то есть в форму, соответствующую тому, что пользователь имел в виду на самом деле) прежде, чем послать эти данные принимающему процессу. Например, программисты работают на клавиатуре терминала довольно быстро, но иногда допускают ошибки. На этот случай имеется клавиша стирания, и пользователь имеет возможность удалять часть введенной строки и вводить коррективы. Драйвер терминала получает всю введенную последовательность, включая и символы стирания. В каноническом режиме модуль дисциплины линии буферизует информацию в строку (набор символов, заканчивающийся символом возврата каретки) и стирает символы в буфере, прежде чем переслать исправленную последовательность считывающему процессу. В таком режиме, например, работает командный интерпретатор shell.

В режиме без обработки строковый интерфейс передает данные между процессами и терминалом без каких-либо преобразований. Например, текстовый редактор работает с драйвером в неканоническом режиме, благодаря чему любой символ, введенный пользователем интерпретируется самим процессом.

В функции модуля дисциплины линии входят:

1. Построчный разбор введенных последовательностей.

2. Обработка символов стирания.

3. Обработка символов удаления, отменяющих всех предыдущих символов.

4. Отображение символов, полученных терминалом.

5. Расширение выходных данных, например, преобразование символов табуляции в последовательности пробелов.

6. Предоставление возможности не обрабатывать специальные символы, такие как символы стирания, удаления и возврата каретки.

Существует дополнительная возможность обработки данных, получаемых и передаваемых устройству — отображение вводимых и выводимых символов в символы, определенные таблицей отображения. Данную возможность поддерживает утилита mapchan.

Псевдотерминалы

Псевдотерминалы являются специальным устройством, эмулирующим стандартную терминальную линию. Псевдотерминалы напоминают каналы как средство межпроцессного взаимодействия, позволяющее двум процессам обмениваться данными. Однако в отличие от каналов, псевдотерминалы обеспечивают дополнительную функциональность, специфичную для терминальных линий. Схематически архитектура псевдотерминала представлена на рис. 5.11.

Рис. 5.11. Взаимодействие процессов с помощью псевдотерминала

Ярким примером использования псевдотерминалов является регистрация в системе по сети с использованием серверов удаленного доступа rlogin(1) или telnet(1), или использование графического эмулятора терминала xterm в системе X Window System. Когда пользователь регистрируется в системе подобным образом, псевдотерминал эмулирует обычную терминальную линию, поэтому пользователь не видит различия между удаленной и локальной работой с помощью терминала, подключенного по последовательной линии. Например, пользователь может установить различные режимы обработки и использовать соответствующие комбинации клавиш для генерации сигналов, как он это делает в случае обычного терминала.

Псевдотерминал по существу представляет собой два отдельных драйвера. Один из них выглядит как обычный терминальный драйвер и носит название подчиненного устройства (slave). Второй драйвер называется основным (master).

Поскольку подчиненное устройство имеет все характеристики терминала, процесс может связать свои стандартные потоки ввода, вывода и вывода ошибок с этим устройством. Однако в отличие от обычного терминала, в случае которого запись процесса приводит к отображению данных на физическом устройстве, а ввод данных пользователем с клавиатуры может быть получен чтением терминальной линии, все данные, записанные в подчиненное устройство, передаются основному и наоборот — почти так, как работает канал. Однако модуль дисциплины линии позволяет обеспечить дополнительные возможности этого канала, которые могут потребоваться некоторым приложениям, например, командному интерпретатору shell.

В качестве иллюстрации использования псевдотерминала, рассмотрим схему работы в режиме командной строки пользователя, находящегося на некоторой удаленной системе в сети.

Пользователь удаленной системы запускает программу удаленного доступа rlogin(1), которая формирует запрос и передает его по сети на требуемый компьютер. Там этот запрос доставляется серверу удаленного доступа rlogind(1), который (после надлежащей проверки) запускает программу login(1). При этом стандартные потоки ввода, вывода и вывода ошибок программы login(1) связываются не с терминальным файлом, как в случае входа в систему с помощью сервера getty(1M), а с подчиненным устройством псевдотерминала. Основное же устройство оказывается связанным с сервером rlogind(1). Программа login(1) запрашивает имя пользователя и его пароль точно так же, как она это делает при входе через getty(1M). Более того, login(1) и "не представляет", что на самом деле работает с эмулятором терминала, а не с традиционной терминальной линией. Весь ввод login(1) поступает серверу rlogind(1) и затем передается по сети клиентской части rlogin(1) на удаленном компьютере. Далее работа ничем не отличается от работы локального пользователя, подключенного к системе с помощью обыкновенного терминала или консоли. Если имя пользователя и пароль были введены правильно, программа login(1) запустит требуемый командный интерпретатор (login shell), который также не заметит подмены. Действительно, по всем характеристикам терминал будет неотличим от традиционной последовательной линии, включая различные установки и генерацию сигналов при нажатии определенных клавиш клавиатуры. Следует, правда, оговориться, что поскольку псевдотерминал не является "полноценным" терминальным устройством, часть установок для него не имеют смысла (например, скорость передачи, четность и т.д.) и просто игнорируются.